PŘÍRODNÍ POLYMERY Polysacharidy II CELULÓZA

Prezentace na téma: "PŘÍRODNÍ POLYMERY Polysacharidy II CELULÓZA"— Transkript prezentace:

1 PŘÍRODNÍ POLYMERY Polysacharidy II CELULÓZA
RNDr. Ladislav Pospíšil, CSc. POLYMER INSTITUTE BRNO spol. s r.o. PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

2 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
LITERATURA Ing. J. Dvořáková: PŘÍRODNÍ POLYMERY, VŠCHT Praha, Katedra polymerů, skripta 1990 J. Mleziva, J. Kálal: Základy makromolekulární chemie, SNTL Praha, 1986 A. Blažej, V. Szilvová: Prírodné a syntetické polymery, SVŠT Bratislava, skripta 1985 V. Hladík a kol.: Textilní vlákna, SNTL Praha, 1970 J. Bučko, L. Šutý, M. Košík: Chemické spracovanie dreva, ALFA Bratislava & SNTL Praha 1988 J. Mleziva, J. Šňupárek: POLYMERY – výroba, struktura, vlastnosti a použití, SOBOTÁLES, Praha 1993, ISBN PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

3 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Chemie celulózy Nadmolekulární stuktura celulózy Výskyt celulózy Rozpustnost celulózy Výroba celulózy Použití celulózy Modifikace celulózy Nanocelulóza PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

4 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

5 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Chemie celulózy I Patří do skupiny polysacharidů Tvoří největší podíl z biomasy Poly-(b-D-glukosa) (zjednodušený název) Poly-1,4-b-D-glukopyranoyl-D-glukopyranosa C4 C1 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

6 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Chemie celulózy II PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

7 Mw (podle jiného zdroje)
Chemie celulózy III Mw (podle jiného zdroje) Bavlna ,78 – 2,43 x 106 Sulfitová buničina ,60 x 106 Viskózová vlákna ,23 x 106 P = M/162 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

8 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Rozpustnost celulózy ROZPOUŠTĚDLO Rozpustnost Průvodní děje Voda Nerozpustná Sorpce vody, bez změny polymeračního stupně Roztoky některých anorganických solí (ZnCl2, AlCl3, SnCl4 atd.) Rozpustná Částečná hydrolýza > změny polymeračního stupně Minerální kyseliny (HCl, H2SO4, H3PO4 atd.) Hydroxidy alkalických kovů Vznik alkoholátů Aminové komplexy – Schweitzerovo činidlo Vznik komplexů mědi Alkylaminy NEVÍM PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

9 Rozpustnost celulózy ZÍSKANÉ DELIGNIFIKACÍ DŘEVA v 17,5 % NaOH ve vodě
ROZPOUŠTĚDLO 17,5 % NaOH ve vodě Rozpustnost Průvodní děje Celulóza nerozpustná b celulóza Rozpustná Okyselením filtrátu kys. octovou vypadnou z filtrátu řetězce s Pn > 200, vzniklé při delignifikaci g celulóza Zbude v roztoku po vysrážení b celulózy a je jí nutno vysrážet EtOH. Obsahuje hemicelulźy. PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

10 ŠKROB versus CELULÓZA I
ŠKROB je polymer z a-D-glukopyranosy CELULÓZA je polymer z b-D-glukopyranosy PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

11 ŠKROB (amylósa - lineární) versus CELULÓZA II
PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

12 Silné interakce přes VODÍKOVÉ MŮSTKY
Další možnosti znázornění celulózy PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

13 Nadmolekulární struktura celulózy I
Prostor mezi mikrofibrilami je vyplněn HEMICELULÓZAMI & LIGNINEM Bezbarvá inertní látka nerozpustná ve vodě, hustota 1,55 g/cm3 AMORFNÍ CELULÓZA snáze bobtná a je reaktivnější než krystalická PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

14 Silné interakce přes VODÍKOVÉ MŮSTKY
Nadmolekulární struktura celulózy II Silné interakce přes VODÍKOVÉ MŮSTKY PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

15 Silné interakce přes VODÍKOVÉ MŮSTKY
Krystalická struktura celulózy I Silné interakce přes VODÍKOVÉ MŮSTKY PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

16 Krystalická struktura celulózy II
I – nativní celulóza II – REGENEROVANÁ CELULÓZA III – vzniká působením amoniakem nebo aminy na I nebo II celulózu IV – teplo + glycerín na I nebo II celulózu X – působením HCl, H2SO4, H3PO4 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

17 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Výskyt celulózy Stonky bylin – len, konopí, juta Listy bylin – sisal Semenná vlákna - bavlna PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

18 HLAVNÍ průvodní látky celulózy 1
Hemicelulózy Lignin Pryskyřice (ve dřevě) ! Vlákna BAVLNY neobsahují téměř žádné hemicelulózy ani lignin ! PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

19 HLAVNÍ průvodní látky celulózy 2
Údaje z různých zdrojů se mohou trochu lišit! Možná je to i druhem bavlny. Zbytek do 100,0 % hmot. je ASI VLHKOST PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

20 Hemicelulózy – z čeho se skládají I
Stejná základní jednotka jako CELULÓZA PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

21 Hemicelulózy – z čeho se skládají II
POZOR: toto je FURANÓZA! Jen pětičlenný kruh! PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

22 Hemicelulózy – z čeho se skládají III
PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

23 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Hemicelulózy Ve dřevě jich je 17 – 41 % hmot., listnáčích více Polysacharidy s nižším polymeračním stupněm (100 – 200) Snadněji hydrolyzovatelné kyselinami i zásadami Často krátké boční řetězce = větvení Podle hlavních stavebních jednotek je dělíme takto: Xylany (hlavně listnatá dřeva) Mannany (hlavně jehličnatá dřeva) Galaktany (hlavně jehličnatá dřeva) PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

24 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Hemicelulózy hlavně listnatá dřeva hlavně jehličnatá dřeva PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

25 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Výroba celulózy I Stonky bylin – len, konopí, juta Listy bylin – sisal Semenná vlákna – bavlna Kmeny dřevin PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

26 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Výroba celulózy II Semenná vlákna – bavlna > jen sběr a přečištění Vlákno má už dostatečnou jemnost, tj. průměr vláken Délka vláken i jemnost Se liší podle místa Pěstování (Egypt, Asie) PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

27 Morfologie celulózového vlákna
PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

28 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Výroba celulózy III Stonky bylin – len, konopí, juta Nutno BIOLOGICKY odstranit dřevovinu Vlákno je dlouhé, ale hrubé Pevnější než bavlna Nutno pro textilní účely ZJEMNIT VÝTĚŽNOST VLÁKNA JEN cca. 10 % v tuzemsku se už nepěstuje PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

29 Výroba celulózy IV – ze dřeva
Natronový postup s NaOH (listnaté dřevo, sláma, odpad) Sulfitový postup (smrk, listnaté dřevo) Sulfátový postup (buk, bříza, borovice, sláma, odpad) Výtěžky jsou jen cca. 25 % z celkové ve dřevě obsažené celulóze PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

30 Natronový postup s NaOH – ze dřeva
150 – 180 °C 700 – 1000 kPa 3 – 6 hodin PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

31 Sulfitový postup – ze dřeva
Ca(HSO3)2, SO2 130 °C 300 – 400 kPa 3 – 6 hodin PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

32 Sulfátový postup – ze dřeva
Na2SO4, Na2CO3, Na2S, Na OH 150 – 180 °C 700 – 1000 kPa 3 – 6 hodin PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

33 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Použití celulózy Výroba papíru Textilní výroba Farmacie Regenerovaná celulóza DERIVÁTY CELULÓZY Estery Nitráty Alkyl (aryl)celulóza Karbaxymethylcelulóza Hydroxyethylcelulóza PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

34 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Od PAPYRUSU k papíru PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

35 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Od PAPYRUSU k papíru PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

36 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Výroba papíru PAPÍR Plošný listový materiál s plošnou hmotností do 250 g/m2, složený z vláken a dalších přísad, které určují jeho specifikaci Kartón a lepenka > 250 g/m2 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

37 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Výroba papíru PAPÍR Plošný listový materiál s plošnou hmotností do 250 g/m2, složený z vláken a dalších přísad, které určují jeho specifikaci Papír 800x Buničina 200x PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

38 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

39 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Výroba papíru Dřevovina – mechanické rozvláknění dřeva & třídění vláken & bělení vláken > levné papíry, např. novinový a toaletní PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

40 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

41 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

42 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

43 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Modifikace celulózy I PRODUKT VLASTNOST POUŽITÍ Regenerovaná celulóza viskóza Podobná nativní celulóze Vlákna celofán Transparentní, bezbarvý, .. Fólie pro potravinářství i techniku Acetát celulózy Transparentní, bezbarvý, rozpustný v organických rozpouštědlech Laky, lepidla, fólie, kinofilmy, vlákna, ……… Propionát celulózy Podobné jako acetát, ale vyšší tepelná odolnost a pevnost Termoplast pro strojní výrobky a elektrotechniku Acetobutyrát celulózy Lesk, rozměrová stálost, odolnost proti světlu, .. Laky, brýle, nábytkové kování PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

44 Modifikace celulózy II
PRODUKT VLASTNOST POUŽITÍ Nitrát celulózy Podle stupně nitrace, změkčovatelný kafrem > CELULOID Laky, fólie, termoplast, VÝBUŠNINA Methylcelulóza, ethylcelulóza Podle stupně methylace rozpustnost ve vodě nebo v organických rozpouštědlech, filmotvorná, emulgační schopnosti Lepidla, emulátory textilní šlichty, fotopapíry, Benzylcelulóza Jako methylcelulóza a Laky, elektroizolace Karboxymethylcelulóza Koloidní a emulgační vlastnosti, rozpustná v horké vodě, Na sůl i ve studené vodě Lepidla, textilní šlichty, ochranné= koloidy, zahušťovadla PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

45 Modifikace celulózy III
PRODUKT VLASTNOST POUŽITÍ Hydroxyethylcelulóza Filmotvornost, rozpustnost ve vodě a ve směsích voda + ethanol Laky na vlasy, zahušťovadlo pro barvy (TIXOTROPNÍ EFEKT) PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

46 Výroba viskózového hedvábí z celulózy v České a Slovenské republice
1919 – Moravská Chrastavá (250 t/rok) 1920 – Senica nad Myjavou 1920 – Rudník u Hostinného nad Labem 1921 – Lovosice 1935 – Svit u Popradu (Slovenská viskózová továreň), vlákna i celofán (fólie) 1951 – Bratislava V současné době už žádný závod není v provozu (problémy s CS2) PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

47 Roztok celulózy v NaOH přechází působením CS2 na XANTOGENÁT CELULÓZY
Schweitzerovo činidlo Roztok celulózy v NaOH přechází působením CS2 na XANTOGENÁT CELULÓZY PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

48 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Působením ALKYLAČNÍCH ČINIDEL na ALKALICELULÓZU vznikají C-ALKYLDERIVÁTY CELULÓZY Působením aldehydu vzniká POLOACETAL a pak může reagovat na ACETAL. PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

49 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

50 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

51 Mikrokrystalická celulóza
Inertní látka pro přenos účinné látky léčiv a potravinových doplňků Nakypřovací prostředek v potravinách Vláknitá přísada do potravin PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

52 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Nanocelulóza Nanocellulose, or microfibrillated cellulose (MFC) is a material: composed of nanosized cellulose fibrils with a high aspect ratio (length to width ratio). Typical lateral dimensions are 5–20 nanometers and longitudinal dimension is in a wide range from tens of nanometers to several micrometers. It is pseudo-plastic and exhibits the property of certain gels or fluids that are thick (viscous) under normal conditions, but flow (become thin, less viscous) over time when shaken, agitated, or otherwise stressed. This property is known as thixotropy. When the shearing forces are removed the gel regains much of its original state. The fibrils are isolated from any cellulose containing source including wood-based fibers (pulp fibers) through high-pressure, high temperature and high velocity impact homogenization (see manufacture below). Nanocellulose can also be obtained from native fibers by an acid hydrolysis, giving rise to highly crystalline and rigid nanoparticles (generally referred to as nanowhiskers) which are shorter (100s to 1000 nanometers) than the nanofibrils obtained through the homogenization route. The resulting material is known as nanocrystalline cellulose (NCC). PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

53 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 8 2013
Nanocelulóza AFM height image of carboxymethylated nanocellulose adsorbed on a silica surface. The scanned surface area is 1 μm2. PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU

54 Celulózy v práci konzervátora a restaurátora
Typ celulózy nebo jejího derivátu Fyzikální forma Použití poznámka Nativní celulóza Vlákna Doplňovací materiál pro papír a kartónu Případně dobarvit do odstínu restaurovaného dokumentu Nitrocelulóza Roztok Lepidlo, tmel Výplňový tmel plněný dřevitou moučkou Karboxymethylcelulóza Lepidlo Restaurování tapet, lepení papíru Propionát celulózy Acetobutyrát celulózy Tuhá látka Imitace přírodních lesklých hmot Zpracování v tavenině PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU